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第七章 机械的创新设计第七章 机械的创新设计 机械设计一般要经过总体设计和结构设计两个重要的工作阶段。总体方案设计往往是发散收敛的过程，它从功能分析入手构思探求多种方案，然后进行技术经济评价，经优化筛选求得最佳原理方案。而结构设计是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，设计满足功能要求的机械结构，确定最好的技术方案。第一节 总体方案设计 机械的总体方案设计是紧紧围绕功能的分析、求解和组合实施的。现代机械各类繁多，但从功能分析的角度看，仍主要归纳为动力、传动、执行、测控四大系统组成。第一节 总体方案设计 动力系统的功能是为机械提供能量，其功能载体为各种形式的原动机；传动系统则实现动力与执行系统间运动和动力的传递功能，包括运动形式、方向、大小、性质的变化，其功能载体可以是电力、液压或机械装置；执行系统通过不同的执行元件为实现工作目的而完成执行功能；测控系统实现传感和控制功能，它将机器工作过程中的各种参数和善检测出来，转化成可测定和控制的物理量。传达到信息处理装置进行处理，并及时发出对各种系统装置的工作指令和控制信号。第一节 总体方案设计 一、总体方案设计 总体方案设计首先要根据产品的功能要求构思工作原理，功能要求与产品的用途、性能等概念不完全相同，如电动机的用途是作原动机，可以是驱动水泵或车床，但反映其特定工作能力的功能是能量转化将电能转化为机械能。第一节 总体方案设计 机电产品系统的功能体现为能量、物料、信息的变化，并且与周围环境有密切联系，根据能量、物料、信息的变化，分析产品系统的总功能和分功能，分析系统中动力源、传动系统、执行系统、检测和控制系统的具体组成和特点。第一节 总体方案设计 例1：数控车床功能分析 数控车床的主功能是将加工过程信息化、自动复现数控程序、通过切削（车削）使零件加工成形。其目标是实现快速生产、主要特征是柔性自动化。它有能将数控程序转化为工件和刀具运动控制命令的信息处理功能，要求能按运动控制命令运动的伺服系统，要有保证加工精度的结构功能，数控车床还可能拥有自动换刀、自动装夹工件、自动排屑等辅助功能。数控车床的功能树如图7-1所示。第一节 总体方案设计 例2：常见的带式运输机，其主要 功能是传送。从结构上看，从结构上看，它由电动机、联轴器、减速器、齿轮、轴、输送带、机架等构件组成。电动机为动力源，联轴器、减速器等是传动装置，输送带则是工件装置，实现物料的传送。机架对机器起支承作用，机器由人工控制。其功能结构如图7-2所示。第一节 总体方案设计 例3：挖掘机的功能结构图如图7-3所示，其中分功能铲入还可以进一步分解为推压功能元和铲斗功能元。第一节 总体方案设计 第一节 总体方案设计 通过调查分析，可找出各功能元（子功能）的可能解，并可作出相应的形态学矩阵。第一节 总体方案设计 第一节 总体方案设计 用形态学矩阵进行方案综合，可获得多种设计方案，表7-1所示挖掘机形态学矩阵可得的方案多达33214434=10368种，如将（A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1）综合在一起组成一种方案，履带式正铲机械挖掘机，若将（A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2）综合在一起，又可组成另一种方案，为轮胎式正铲液压挖掘机。对如此众多的方案，必须剔除那些明显不适用、不满足设计要求，原理结构不相容的方案，只保留少数较好的可行方案进行评价，并从中确定较优的设计方案。例4：钟表的功能分析如表7-2所示第一节 总体方案设计 对于钟表以功能分析的不同解法，列出计时装置的形态学矩阵，如表7-3，经组合可得计时装置的多种新方案。第一节 总体方案设计 第一节 总体方案设计 新方案1：指针式石英电子表电池（化学能电能）石英晶体振荡器（电磁摆）轮系指针刻度旋钮（即A3+B2+C1+D1+E1）新方案2：液晶式石英电子钟电能石英晶体振荡器（电磁摆）驱动电路液晶数字显示按钮（即A2+B2+C2+D2+E2）第一节 总体方案设计 最近，根据显示时间这个功能本质设计出了新型计时装置电波表，由国家标准实验室原子钟（精度百万分之一秒）发出时间播放信号，经无线电台播出。电波表只需接受并显示时间信号，它计时精度高，结构简单。北京中华世纪坛就采用了电波表作为计时装置。第一节 总体方案设计 二、编制设计目录 用功能设计法进行原理方案设计后，结合设计的过程和需要，编写内容清晰、条理性强、提取方便，信息面广 的设计目录。第一节 总体方案设计 三、建立优化设计评价系统 工程设计问题往往是复杂和多解的。通过功能分析获得尽可能多的方案，然后通过评价从中选择最佳方案，在发散收敛的过程中创新，这是设计 的基本思路，也是产品优化的过程。在确定工作原理方案、选择机构、传动、设计结构的过程中，都要对方案进行分析和评价，其不足要加以改进和完善。第一节 总体方案设计 对产品（或技术方案）的评价目标一般包含3个方面的内容：（1）技术评价目标：工作性能、加工装配工艺性、维护使用性、技术上的先进性等；（2）经济评价目标：成本、利润、投资回报率等；（3）社会评价目标:社会效益、市场效应、环境保护、宜人性、节能、可待续发展等。第一节 总体方案设计 评价目标确定后，应制订评价方法以便从多种方案中选取最佳方案。常用的评价方法有：评分法、加权系数法、模糊评价法等。（1）评分法：用分值作为衡量方案优劣的定量评价，评委对各方案每一评价目标分项评分，再求各方案总分。（2）加工权系数法：首先根据各目标的重要程度设置加权系数，评委对各方案一项评价目标分项评分，再加权求各方案总分。（3）模糊评价法是用优、良、中、差等不定量的“模糊概念”来评价。近年来通过模糊数学理论将模糊信息数值化以进行量化评价的方法已广泛用于工程方案设计。第一节 总体方案设计 四、总体方案设计实例 下面通过两个实例来进一步说明机械总体方案的步骤与方法。例1：设计一带式运输机的机械传动系统，要求运动平稳、结构紧凑，维护方便，效率高。已知：传递功率P=4kW，输入转速n1=1000r/min，输出转速n1=85r/min。试拟定传动系统的方案。第一节 总体方案设计 解：（1）明确任务要求 带式运输机的功能结构、。一般情况下，驱动（原动机）为电动机，执行总分为运输带，往往只要选定就可以了，因此本例主要介绍传动方案的设计。总传动比i=n1/n2=1000/85=11.76。根据传动比的大小，可采取两级减速传动。由于该传动系统较简单，设计时有些步骤可省略。（2）功能分析 系统的总功能是传递运动和转矩，每级传动可作为其功能，列出形态学矩阵，如表7-4所示。第一节 总体方案设计 第一节 总体方案设计（3）组合原理解 根据形态学矩阵可组合出N=65=30个系统方案原理解。若考虑传动件的布置形式和位置，则方案数会更多，为便于分析，应根据各种传动件的特点、适用范围及实际工作条件，先排除一些明显不合理的原理解，然后从可行方案中初步挑选出较有价值的方案作为备选方案。初选有4种方案4种传动系统的方案简图如图7-4所示。第一节 总体方案设计 第一节 总体方案设计（4）方案的评价与决策 以结构紧凑、效率高等7项要求作为评价目标，采用5分制作技术评价（隐含经济观点，如制造简单、寿命长等）。表7-5显示了各方案的评分及评价结果。方案一、二、四的技术价值均超过0.7，技术性能较好，尤其是方案二价值最高，只需一台两级圆柱齿轮减速器。根据评价结果，决定采用方案二。第一节 总体方案设计 第二节 结构设计 结构设计是机械设计中的一个十分重要的阶段，也是涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。结构设计实际上就是确定产品、零部件的材料、形状、尺寸及相互配置关系，它是原理方案设计的具体化，以满足产品的功能要求。第二节 结构设计 结构设计是一个从抽象到具体、从粗略到精确的过程，它根据既定的原理方案，确定部体空间布局、选择材料和加工方法，通过计算确定尺寸，检查空间相容性等。由主到次逐步进行结构的细化；结构设计也具有多解性特征，因此需反复、交叉进行分析计算和修改，寻求最好的设计方案，最后完成总体方案结构设计图。第二节 结构设计一、结构设计的基本步骤 由于结构设计过程相当复杂，我们只能介绍原则性的设计步骤。（1）明确决定结构的要求及空间边界条件。决定结构的要求主要包括：1）与尺寸有关的要求，如传动功率、流量、联接尺寸、工作高度等；2）与结构布置有关的要求，如物料的流向、运动方位、零部件的运动分配等；3）与确定材料有关的要求，如耐磨性、疲劳寿命、抗腐能力等。空间边界条件主要包括装配限制范围、轴间距、轴的方位。最大外形尺寸等。第二节 结构设计（2）对主功能载体进行粗略结构条件。主功能载体就是实现主功能的构件，如减速器的轴和齿轮、机车的主轴、内燃机的曲轴等。在结构设计时，应首先对主功能载体进行粗略构形，初步确定主要形状、尺寸，如轴的最小直径、齿轮直径、容器壁厚等，并按比例初步确定主要形状、尺寸，如轴的最小直径、齿轮直径，容器壁厚等，并按比例初步绘制结构设计草图。设计的结构方案可以是多个，要从功能要求出发，选出一种或几种较优的草案，以便进一步修改。第二节 结构设计（3）对辅功能载体进行初步结构设计。主要对轴的支承、工件的夹紧装置、密封、润滑装置等进行设计，以保证主功能载体能顺利工作。设计中应尽可能利用标准件、通用件。（4）对主功能载体、辅功能载体进行详细结构设计、详细设计时，应遵循结构设计基本准则，依据国家标准、规范及较精确的计算结果，完成细节设计。第二节 结构设计（5）对设计时行经济综合评价。从多个结构设计草案中选择满足功能要求、性能优良、结构简单、成本低的较优方案。（6）结构方案的完善、检查错误。消除综合评价时已发现的弱点，检查在功能、空间相容性等方面是否存在缺陷或干扰因素（如运动干扰），应注意零件的结构工艺性，如轴的圆角、倒角、铸件壁厚、拔模斜度、铸造圆角等，必要时对结构加以改进，并可采纳已放弃方案中的可用结构，通过优化的方法来进一步完善。第二节 结构设计（7）完成总体结构设计方案图、绘制全部街道图纸，结构设计的最终结果是总体结构设计方案图，它清楚地表达产品的结构形状、尺寸、位置关系、材料与热处理、数量等各要素和细节，体现了设计的意图。第二节 结构设计二、结构设计的准则 为使产品预期功能得以实现、产品的经济性、安全性得到保证，提高设计的质量，应遵循“明确”“简单”“安全”的基本要求。“明确”主要包括功能明确、作用原理明确、工况条件及负荷状况明确等；“简单”主要要求零件数目尽量少、零部件间的联接关系简便、零件形状尽可能简单等、“安全”则要求保证产品及其零部件在预期的工作期限内正常工作，不会对人和环境产生危害。第二节 结构设计为合理地进行结构设计，应考虑如下结构设计准则：1.满足功能要求的设计准则 产品设计的主要目的是实现预定的功能要求，在设计产品时，通常有必要将任务合理分配，即将一个功能分解成多个分功能，每一个分功能 由一个功能载体承担。V带的结构是任务分配的一个例子。纤维绳用来承受拉力，橡胶层承受带弯曲时的拉伸与压缩，而传动所需要的摩擦力则通过包布层与带轮轮槽的作用产生。第二节 结构设计第二节 结构设计 为了简化产品结构、减少零件个数、降低加工成本、便于装配、缩小体积等，可将多项功能集中于一个功能载体，将功能不同，但运动情况一致位置相近的零件结合，结构上设计成一个整体，由一个零件或部件承担多个功能。V带结构实现了功能集中，角接触轴承也具有功能集中的特点，即能承受径向载荷，又能同时承受轴向载荷。图7-9所示为一包装机械中的支架零件，原来由11个零件分别加工后组装而成，加工量大，成本高，采用整体结构后，通过整体铸造一次完成，大大降低了成本。第二节 结构设计 图7-10（b）所示的螺栓即有联接功能又有防松功能，它是将图7-10（a）所示的螺栓与防松垫圈组合在一起的整体结构。第二节 结构设计第二节 结构设计2.考虑加工工艺性和设计准则 结构设计中，应力求使设计的零部件加工方便，材料损耗少，效率高、生产成本低、符合质量要求。对铸件应尽量减少分型面的数目，避免不必要的凸起和凹陷，尽量少用不用型芯，力求几何形状简单，应考虑拔模斜度，壁厚应均匀避免缩孔等。第二节 结构设计 对切削加工零件，应尽量减少加工面积；设计必要的退刀槽或砂轮越程槽；要使零件在加工时便于装夹；应尽量减少加工的装夹次数，以提高效率；优先采用相同的锥度、圆角半径及孔径，减少刀具调整次数，提高加工精度等。第二节 结构设计3.考虑装配的设计准则 加工好的零部件木经过装配才能成为完整的机器，装配质量对机器设备的运行有直接的影响。在结构设计时，应合理考虑装配单元，使零件得到正确安装，图7-11所示的两法兰盘用普通螺栓联接，图（a）所示的结构无径向定位基准，装配时不能保证两孔的同轴度，图（b）以相配的圆柱面为定位基准，结构合理。对配合零件应注意避免双重配合，图7-12（a）中零件A与零件B有两个端面配合，由于制造误差，不能保证零件A的正确位置。应采用图7-12（b）的合理结构。第二节 结构设计第二节 结构设计 结构设计中，应明显标志零件的装配位置，防止错误装配。图7-13所示轴承座用两个销钉定位。图（a）两销钉反向对称布置，装配时很可能误将支座旋转180安装，使得轴与孔的中心线位置偏差增大。为避免装配错误，可将两定位销布置在同一侧，或使两定位销到螺栓距离不等（图（b）。第二节 结构设计 为使零件便于装配和拆卸，应保证零件有足够的装配空间。图7-14（a）中装配高度不够，螺栓无法装入，可改成图7-14（b）所示结构。对于螺栓联接，应设计足够的扳手空间。第二节 结构设计 图7-15（a）中空间狭小，扳手无法转动，应采用图7-15（b）所示合理结构。第二节 结构设计 对于配合零件，应避免过长的配合，图7-16所示的齿轮与轴的配合应采用图（b）的结构。第二节 结构设计第二节 结构设计 为了使零件易于装配，孔及圆柱的端部应有倒角。为便于拆卸零件，应留出安放拆卸工具的位置，例如滚动轴承的拆卸。为了使装配过程简化，补偿装配尺寸链误差，对轴系部件装配时可设置调整补偿环或调整垫片，它的厚度根据实测结果确定。这样，即降低了对装配精度的要求，又可提高装配质量。倒角倒角退刀槽退刀槽 轴上磨削的轴段，应有轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽砂轮越程槽；车制螺纹的轴段，应有车制螺纹的轴段，应有退刀槽退刀槽；轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。图图16-8 轴的结构轴的结构(轴系拆装动画轴系拆装动画）第二节 结构设计4.满足强度等方面要求的设计准则 足够的强度和刚度是结构设计必须满足的要求。适当的结构设计可以减少载荷引起的应力和变形量，提高结构的承载能力。考虑强度要求，应考虑材料的性质。钢材受拉和受压时力学性质基本相同，因此钢结构多为对称结构；铸铁材料的抗压强度远大于抗拉强度，因此承受弯矩的铸铁结构截面多为非对称形状，以使承载时最大压应力大于拉应力。在结构设计时，为充分利用材料，减轻重量，可设计成等强度结构，使零件截面尺寸的变化与其应力的变化相适应。第二节 结构设计图（a）所示结构强度差；图（b）所示结构虽然强度高，但不是等强度，浪费材料，增加重量；图（c）为等强度结构，且符合铸铁材料的强度特点。轴的结构通常是阶梯轴，应力大的中间部分较粗，应力小的两头较细，既便于轴的加工和轴零件的装拆，又接近等强度结构。第二节 结构设计第二节 结构设计 结构设计时，要注意改善受力状况，使受力均匀，载荷分给多个零件承担，从而使单个零件 载荷减小，提高强度，例如 并联组合弹簧、轴承组合等。要注意使力的传递路线变短，承载区域小。例如悬臂布置的小锥齿轮轴，锥齿轮部分应尽量靠近轴承以减小悬臂长度，提高弯曲强度。第二节 结构设计第二节 结构设计 结构设计时，应采取措施使零部件在传递动力时产生的附加力（力矩）内部平衡，不致增加其他零件的载荷。例如：同一轴上两个斜齿圆柱齿轮产生轴向力，可通过合理选择轮齿旋向和螺旋角的大小使轴向力相互抵消，而不增加轴承的负载。第二节 结构设计 结构设计时，应设法减小应力集中。应力集中是影响零件承受交变应力时疲劳强度的重要因素。结构设计时，应尽量避免使结构受力较大处的零件形状发生突然变化，以避免或减小应力集中对强度的影响。增大过渡圆角、采用卸载结构等是减小应力集中的有效方法。第二节 结构设计5.考虑造型的设计准则 产品结构设计不仅要满足功能要求，而且还应考虑产品的造型，使其适合人的生理特点和心理特点，造型美观、结构宜人化的产品将会对人产生吸引力，使人心情愉快，不易疲劳。结构设计时，应注意各部分尺寸比例协调、匀称，形状、色彩和谐统一，简洁明快，使操作者在工作时不易疲劳，并能及时、正确、全面地了解机器的工作状况，进行正确的操作。第二节 结构设计6.其他设计准则 在结构设计时，还应考虑其他方面的设计准则。如采用标准件和标准尺寸系列，有利于标准化；考虑妨腐蚀措施的设计；可实现自我加强、自我保护、零件之间相互支持的设计；为节约材料和资源，使报废产品能够回收利用的设计等等。第二节 结构设计三、结构设计的变异 为了得到较好的设计结果，设计者要思路开阔，尽可能多地思考各种能实现功能的结构方案，以便挑选出较优方案。例如：螺钉用于联接时需要通过螺钉头部对其拧紧，根据所需拧紧力的大小，变换功能面的 形状、数量和位置（内、外）可得到多种螺钉头的设计方案。当所需拧紧力很小，不需专门工具时，可设计成滚花型和元宝手柄用手拧紧；第二节 结构设计滚花螺钉蝶形螺母（元宝螺母）第二节 结构设计盖形螺母第二节 结构设计第二节 结构设计所需拧紧力较小时，可用“十字”“一字”型起子槽型式，并可设计成平头或沉头方案，也可用内六角、内四角、内三角形式，通过专用扳手作用于螺钉头的内表面拧紧；所需拧紧力较大时，往往要用扳手拧紧，可设计成外六角、外四角等螺钉头型式。除此之外，显然还有很多螺钉头部形状设计方案，当然，在设计新的螺钉头部 形状方案时要同时考虑拧紧工具的形状和操作方法。标准螺纹联接件标准螺纹联接件螺螺纹纹紧紧固固件件末端结末端结构构头部结头部结构构螺钉、紧定螺钉螺钉、紧定螺钉双头螺柱双头螺柱螺栓螺栓 通过改变零件或零件之间功能面的相对位置可产生新的方案。如图7-18所示机构机构，图（a）中摆杆1的接触面为平面，推杆2的接触面为球面，相互作用时，会产生横向推力，不利于推杆的运动，甚至造成推杆运动卡死。采用图（b）的位置变换，受力状况明显改善。第二节 结构设计第三节 机械创新设计案例 从下面介绍的机械设计案例，将它们的创新思想和设计过程进行分析，从各个角度探讨创新设计的规律和方法，启发我们去观察、思考、分析、培养我们的兴趣从而参与创新设计实践。第三节 机械创新设计案例案例：内燃机的发展 动力机械是近代人类社会进行生产活动的基本装备之一。动力机械按其工作方式分为内燃机和外燃机两大类。第三节 机械创新设计案例 在技术发展史上，人们对内燃机的研究比外燃机要更早，但由于理论和技术上的不成熟，使得外燃的蒸汽机在内燃机出现前的一个多世纪内得到广泛的应用。第三节 机械创新设计案例自从18世纪瓦特完成了蒸汽机的发明以后，几乎在一个世纪的时间里蒸汽机成为唯一的动力机，但在广泛应用的同时也暴露了它一系列的缺点：首先，热效率很低。当时，一般情况下，只有5%8%，最高也不过13%。主要是它在工作过程中散失了大量的热量。其次，结构笨重，价格昂贵，锅炉和冷凝器等体积庞大，运行不灵活，很难达到体积不大、更便宜、适应性更大、运行更灵活的要求。第三，操作不方便，运行不够安全。锅炉要预热两个多小时，不能随意启动和停止，由于锅炉储蓄的热量很大，而容易发生爆炸。第三节 机械创新设计案例人们需要比蒸汽机更小、更便宜、适应性更大。运行更灵活的发动机。在1824年法国物理学家卡诺提出理想热机的卡诺循环，并随后建立的热力学第一定律和第二定律，为完成内燃机的发明提供了理论和技术基础。热力学第一定律也就是能量守恒定律。自从焦耳以无以辩驳的精确实验结果证明机械能、电能、内能之间的转化满足守恒关系之后，人们就认为能量守恒定律是自然界的一个普遍的基本规律。表达式为Q=U+W。表述形式：热量可以从一个物体传递到另一个物体，也可以与机械能或其他能量互相转换，但是在转换过程中，能量的总值保持不变。热力学第二定律有几种表述方式：克劳修斯表述热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体；开尔文-普朗克表述不可能从单一热源吸取热量，并将这热量完全变为功，而不产生其他影响。关系热力学第二定律的两种表述（前2种）看上去似乎没什么关系，然而实际上他们是等效的，即由其中一个，可以推导出另一个。意义热力学第二定律的每一种表述，揭示了大量分子参与的宏观过程的方向性，使人们认识到自然界中进行的涉及热现象的宏观过程都具有方向性第三节 机械创新设计案例 人们首先分析了蒸汽机的缺点，发现燃料先把水烧成蒸汽，再把蒸汽引入汽缸做功，然后蒸汽再被冷凝器冷却成水，这个过程引起了大量的热损耗，里诺对蒸汽机的这个缺点，用反向思维方法，考虑能不能使燃料直接在汽缸内部燃烧，这样就可以免去蒸汽作中介工质。热能直接作功。第三节 机械创新设计案例1860年，里诺制成了第一台实用的内燃机二冲程煤气机，它的外表就像一部卧式蒸汽机，也有活塞、连杆和飞轮，但运转方式截然不同，它是靠吸入煤气和空气的混合物以后，在汽缸内点火燃烧发生膨胀而作功。这种煤气内燃机去掉了庞大的锅炉，结构紧凑，虽然其燃料消耗很高，而热效率仅4%（还不如蒸汽机），电点火也不可靠，成本也很高，但毕竟它平稳的运转了，很受中小企业欢迎。第三节 机械创新设计案例 为了提高效率，法国工程师德罗沙进一步分析里诺机的缺点，从反向思考，提出了新设想。他认为里诺机的燃料混合气未经压缩就直接进入汽缸，这样每一次吸入的燃料气体就很少，膨胀一次的热损失相对来说秒很大。能不能每次多吸入一些燃料气体？德罗沙在对内燃机的热力过程进行理论 分析 之后，于1862年提出了提高热效率的关键措施：即预先压缩空气和燃气的混合物，提出了等容燃烧的四冲程内燃机工作原理。四冲程发动机四冲程内燃机工作过程(四冲程：两转，720CA)吸气冲程 进气门打开,排气门关闭,活塞向下运动,汽油和空气混合物进入汽缸.压缩冲程 进气门和排气门都关闭,活塞向上运动,燃料混合物被压缩.做工冲程 压缩冲程结束时,火花塞产生电火花,使燃料猛烈燃烧,产生高温高压的气体.高温高压气体推动火花塞向下运动,带动曲轴转动,对外做功.排气冲程 进气门关闭,排气门打开,活塞向上运动,把废气排出汽缸.第一个行程：活塞从上止点到下止点，完成两个动作：火花塞点火，做功排气；关闭进气，把空混合气从活塞下部压入曲轴箱，从活塞上部进入汽缸。第二个行程：活塞从下止点到上止点。完成两个动作：关闭所有进排气，压缩混合气。每两个冲程完成一次做功，所以叫二冲程。二冲程发动机第三节 机械创新设计案例 1876年，德国工程师奥托研制成功了第一台四冲程往复活塞式内燃机，每分钟180转，热效率高达14%（相当于蒸汽机的两倍），它把三个关键的技术思想：内燃、压缩燃气、四冲程溶火一体，具有效率高、体积小。重量轻、功率大等一系列优点。此后，奥托在一生中一直从事内燃机的研究，四冲程循环被 称为“奥托循环”，他也被认为是内燃机的发明人。第三节 机械创新设计案例 在此之后，英国工程师克拉克制造了二冲程循环的内燃机，在每两个冲程中就有一个动力冲程，他发明了两个汽缸的内燃机，当一个汽缸处于回复阶段时，另一汽缸则爆燃作功，使输出的动力较均均。第三节 机械创新设计案例 里诺和奥托内燃机都是煤气机，但煤气的热值低，需要庞大的煤气发生炉和管道系统，煤气机的转速低，自重大，对于交通运输业所要求的高速。轻便的动力机来说，煤气机仍然是不相适应的。随着石油工业的蓬勃发展，用石油产品取代煤气作燃料已成为必然。第三节 机械创新设计案例 德国工程师戴勒姆分析煤气机的缺点，设计出了汽化器，解决了点火问题，于1883年制成了第一台四冲程往复式汽油机。以往煤气机的转速不超过200转/分，而戴勒姆汽油机的转速一跃火8001000转/分，其特点是功率大、重量轻、体积小、转速快和效率高，特别适用于交通工具。1 885年，戴勒姆与德国工程师本茨两人分别以汽油机为动力独立制成了可供实用的汽车。第三节 机械创新设计案例 由于汽油价格较高，德国工程师狄塞尔考虑设计结构简单、燃料更便宜的柴油机。但是柴油机在汽缸里的点燃成为问题的关键。1892年，他提出了在内燃机中使用压缩点火的技术专利；发动机吸进的不是燃料和空气的混合物，而是空气，如果空气压缩后产生的高温超过柴油的燃点，那么通过喷嘴喷入的柴油就会自动燃烧，从而失去活塞作功。这样，不但可以省去汽化器和点装置，提高热效率，而且可以用比汽油便宜得多的柴油作燃料。第三节 机械创新设计案例 1897年，第一台20匹马力的柴油机开始运转，它的功率比汽油机大，热效率也提高到30%，狄塞尔柴油机是内燃机技术上的第二次突破，柴油机成为工业上主要的动力机。第三节 机械创新设计案例启示：内燃机的发展过程揭示了科学与生产之间的辩证关系。科学的形成和发展是由社会生产所决定的，但往往科学又走在生产前面，对新的生产技术诞生起着巨大的引导作用。奥托循环、狄塞尔循环理论产生之后才制造出了实现理论的内燃机，充分说明了科学研究要走在生产的前面，探索、发现新的热力学循环，才能引起内燃机技术新的突破。第三节 机械创新设计案例 奥托煤气机、狄塞尔柴油机的发明，充分说明了“缺点分析，反向创新原理和方法所起的重要作用。科学技术的发展是继承和创新的辩证统一，新的技术是对原有技术成果的突破，没有对前人的理论、结构、工艺、材料等方面成果的深入分析，没有对前人的继承，不分析它的缺点和弊病，不提出克服缺点和弊病的设想和解决方法，不打破固定思路的束缚，是不可能创新的。第三节 机械创新设计案例 内燃机的发明说明，任何一种技术都不可能孤立的发展，各种技术是相互依存，相互促进的，内燃机的诞生，需要冶炼技术提供优质钢材，需要各种机床对零件进行精密加工，需要石油工业提供汽油、柴油等燃料。因此，当我们发展一种新技术时，必须认真考虑相关技术的配合。另外，对于一个国家的科技水平，先进和落后在一定的社会历史条件下也可以转化。英国是最早的工业化国家，但蒸汽杨的大量使用，使得研究新型内燃机的工作受到了阻碍，而法国、德国由于发明制造出了多种内燃机，产生了许多科学家和发明家，使其科技水平超过了英国。作业：1.试对下列产品进行功能分析，由总功能分解至功能元：（1）自行车；（2）订书机；（3）千斤顶；（4）打火机；（5）减速器。2.反求设计与传统设计有何区别？3.普通机床与数控机床有何区别？4.回转手动剃须刀的功能分解如图所示，试求各功能元解并列出形态学矩阵。图 回转手动剃须刀的功能谢谢观赏WPS OfficeMake Presentation much more funWPS官方微博kingsoftwps